CN109270375A - 鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法，所述电路系统包括频综源、定向耦合器、KIDs读出电路探测器读出电路模块、混频器模块、低通滤波器、直流放大器、数据采集卡和控制计算机。相较于传统的同差混频式相位噪声测量方法，本发明鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法，以单个宽带双平衡混频器和可调移相器为核心部件，对相位噪声测量和校准过程进行了明显简化，且测量结果精确，不低于现有技术，同时降低了所使用的频综源的功率电平，中频输出的寄生直流偏压也被显著减弱，并降低了数据处理量和硬件成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对超导KIDs探测器相位噪声测量的电路系统及操作方法，属于太赫兹/光学技术研究领域。
背景技术
超导动态电感探测器(Kinetic Inductance Detectors,KIDs)是一种新型低温高灵敏度探测器，可用于从毫米波到太赫兹、光学/紫外、X射线、γ频段的目标成像观测。KIDs探测器核心电路主要由光子信号接收器和微波谐振器两个部分组成，根据KIDs工作原理，当外部射频信号辐照KIDs探测器，接收器接受光子能量后发生超导库珀对破裂的现象，将导致微波谐振器的动态电阻和动态电感的变化，从而引起了微波谐振器特性(Q因子、幅度、相位等)变化。通过读出电路获取微波谐振器的(幅度或相位)变化信息，即可间接探测到入射光子信号的信息特征。由于KIDs探测器微波谐振器可实现超过104以上的高Q值设计，使得在一根单一的传输线上有可能耦合多个(>1000)具有不同谐振频率的KIDs探测器成为可能。若采用梳状信号发生器在传输线上外加与KIDs探测器阵列单元的谐振频率一一对应的激励信号，通过频分复用FDM(FrequencyDivision Multiplexing)技术，即可同时读取KIDs探测器阵列所有输出信号。
相位噪声是表征KIDs探测器性能，并进而直接影响太赫兹成像系统整体灵敏度的主要参数之一，其重要性毋庸置疑。目前KIDs相位噪声测量硬件系统一般多采用微波正交混频器，结合低噪声放大器、功分器、可调衰减器、固定衰减器、带通滤波器、低通滤波器等辅助电路模块，通过同差混频(Homodyne)方式实现对相位噪声的测量。通过对I、Q两路正交中频输出信号的数据进行处理即可同时获得KIDs探测器的相位噪声θ(f)和幅度噪声A(f)，其计算公式可如下式：
θ(f)＝FFT(tan-1(I(t)/Q(t))) (2)
理论和实测结果都证实，在这两种噪声中相位噪声占据主导作用，其量级通常比幅度噪声高一到两个数量级。宽带正交混频器的一般性原理框图可如图1所示，主要由两个双平衡混频器、一个3dB等相位等功分器和一个具有正交(90°)相位差的3dB等功分定向耦合器组成。具有等相位的射频信号与具有90°相位差的本振信号分别在两个双平衡混频器中进行下混频后，将输出两路具有正交相位差的中频信号I和Q。由于现有电路设计方法和加工工艺还很难在宽带内实现具有完美的等功分、90°相位差以及高隔离度的功分器和定向耦合器，因而正交混频器微波的两路正交中频输出端I、Q一般存在幅度和相位不平衡现象，且具体数值随频率发生变化的问题。这使得在对超导KIDs探测器相位噪声测量中，对正交混频器的校准成为一个繁复而且要求颇高的过程。此外，正交混频器需要同时激励两个双平衡混频器，本振激励电平较大，一方面对频综源的功率提出了较高要求，另一方面也使得中频输出端存在寄生较大的直流偏压，限制了直流放大的倍数和模-数采样电路的动态范围。
在同差混频式相位噪声测量方法中，必须同时使用I、Q两路中频输出的测量结果才能准确的获得KIDs探测器相位信息并计算其相位噪声，这主要是因为各类KIDs探测器芯片的内部结构和连接线长度的不同所导致无法预知整个系统链路的相位。如果我们在系统链路中的适当位置串入一个可调移相器，就可以总是将链路的相位调整到一个固定值(譬如0°)。此时，仅采用单路中频输出的结果也可以对相位噪声进行测量，所使用的混频器(又称之为鉴频器)个数也精简到单个，这种方法被称之为鉴频相位噪声测量方法。
发明内容
针对背景技术中论述的问题，本发明提供了一种基于鉴频法的鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法，以单路宽带双平衡混频器和可调移相器为核心部件，对相位噪声测量和校准过程进行了明显简化。
本发明提供的技术方案为：
一种鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统，其特征在于，包括频综源、定向耦合器、KIDs探测器读出电路模块、混频器模块、低通滤波器、直流放大器、数据采集卡和控制计算机；
所述频综源的输出信号通过定向耦合器分为两路，所述定向耦合器的两路输出端分别与KIDs探测器读出电路模块的读出信号输入端、可调移相器的输入端连接，所述KIDs探测器读出电路模块的读出信号输出端与混频器模块的射频输入端连接，可调移相器的输出端与混频器模块的本振输入端连接，而混频器模块的中频输出端则与所述低通滤波器连接，低通滤波器的输出端通过直流放大器与数据采集卡连接，所述数据采集卡的信号输出端与所述控制计算机的信号输入端连接，控制计算机的信号输出端与频综源的控制信号输入端连接；
所述KIDs探测器读出电路模块包括设置在读出信号输入端的第一可调衰减器，设置在读出信号输出端的第二可调衰减器，所述第一可调衰减器的输出端通过第一隔直器与第一低温衰减器的输入端连接，第一低温衰减器的输出端通过第二隔直器与第二低温衰减器的输入端相连，第二低温衰减器输出端与安装在样品盒内的KIDs探测器芯片的输入端相连，KIDs探测器芯片的输出端与低温低噪声放大器的输入端连接，所述低温低噪声放大器的输出端与第三低温衰减器的输入端连接，所述第三低温衰减器的输出端与常温低噪声放大器的输入端相连，常温低噪声放大器的输入端端通过第三隔直器与第二可调衰减器连接；
所述第一、第二可调衰减器，第一、第三隔直器和常温低噪声放大器处于常温环境中，所述第一、第二、第三低温衰减器，第二隔直器，低温低噪声放大器与探测器芯片设置在低温杜瓦装置内，且所述第二隔直器为双隔离隔直器；
所述混频器模块包括一个双平衡混频器，混频器模块的本振输入端通过第一衰减器与双平衡混合器的本振端口连接，混频器模块的射频输入端通过第二衰减器与双平衡混合器的射频端口连接，所述本振输入端与第一衰减器之间，射频输入端与第二衰减器之间分别串接有一双隔离隔直器；
所述定向耦合器采用耦合度为15～30dB的宽带弱耦合度定向耦合器；
所述低通滤波器的截止频率低于1MHz。
作为优选：
KIDs探测器读出电路模块中，所述第一、第二可调衰减器的工作范围包括0～62dB，所述常温低噪声放大器、低温低噪声放大器均为+40dB放大器，所述第一低温衰减器为10dB衰减器，第二低温衰减器为20dB衰减器，第三低温衰减器为3dB衰减器；
混频器模块中，所述第一衰减器为3dB衰减器，第二衰减器为6dB衰减器；
所述数据采集卡的数据采集速率可达到200kHz以上，精度在16bit以上。
所述常温低噪声放大器的噪声系数不高于5dB，最好是不高于3dB；所述低温低噪声放大器的噪声温度不高于20K。
一种基于如上所述电路系统的KIDs探测器相位噪声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将KIDs探测器读出电路模块输入、输出端的第一、第二可调衰减器的衰减量调至最大，开启所述直流放大器、低温低噪声放大器、常温低噪声放大器的直流供电电源；
2)设置频综源的功率电平，将频综源的频率精确设置到KIDs探测器芯片工作像元的中心频率处，根据对所述KIDs芯片的先验知识设置第一可调衰减器的衰减量，使得进入KIDs芯片的读出信号处于最优电平；设置第二可调衰减器的衰减量，在保证常温低噪声放大器处于线性工作区的前提下，使KIDs探测器读出电路模块的链路增益最大，然后启动频综源；
3)使数据采集卡进入工作状态，并将其采集的混频器模块输出的准直流电压信号，以曲线的形式实时显示在控制计算机的屏幕上；
4)调节所述可调移相器的相位，使其在0～360°内变化，获得屏幕上电压变化曲线的最大值Vmax和最小值Vmin，根据以下公式确定混频器模块的直流偏压Voffset和信号幅度Vmag：
Voffset＝(Vmax+Vmin)/2 (7)
Vmag＝(Vmax-Vmin)/2 (8)
5)调节可调移相器的相位，使得混频器模块输出的准直流电压等于所述直流偏压Voffset，在该状态下，控制数据采集卡连续采集一段时间的数据，设数据采集卡在某一时刻获取的数据为Vn(t)，t为采样时刻；
6)根据以下公式计算得到KIDs探测器芯片经过校准的相位噪声的时域数据：
Φ(t)＝(Vn(t)-Voffset)/Vmag (7)
7)通过计算机数据处理程序对所述相位噪声的时域数据进行功率谱估计，得到所述KIDs探测器芯片相位噪声的频域数据。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
步骤5)中，将数据采集卡的设置成高速采集状态，以不低于200kHz的采样频率采集数据。
有益效果：
相较于传统的同差混频式相位噪声测量方法，本发明鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统及测量方法，显著简化了测量和校准的过程，且测量结果精确，不低于现有技术，同时降低了所使用的频综源的功率电平，中频输出的寄生直流偏压也被显著减弱，可降低数据处理量和硬件成本。
附图说明
图1为正交混频器电路的结构示意图；
图2为本发明测量电路系统的结构示意图；
图3为KIDs探测器读出电路模块的结构示意图；
图4为混频器模块的结构示意图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案，下面结合附图与具体实施对本发明做进一步的介绍。
如图2所示的一种鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统，包括频综源、定向耦合器1、KIDs探测器读出电路模块2、混频器模块3、低通滤波器4、直流放大器5、数据采集卡和控制计算机等组成部分。
所述频综源优选采用频率可精细调节的高稳定度频率综合器，为KIDs芯片提供激励信号和为混频器模块提供本振信号。所述频综源的控制信号输入端与控制计算机连接，信号输出端与定向耦合器1连接，通过定向耦合器1将信号分为两路，分别向KIDs探测器读出电路模块2和可调移相器发送。所述KIDs探测器读出电路模块2的输出端与混频器模块3的射频输入端连接，可调移相器的输出端与混频器模块3的本振输入端连接，而混频器模块3的中频输出端(即双平衡混频器3-3的中频端口IF)则与所述低通滤波器4连接，低通滤波器4的输出端通过直流放大器5与数据采集卡连接，而数据采集卡的输出端与所述控制计算机的信号输入端连接，用于采集混频器模块3输出的电压信号。
本实施例中，所述频综源优选采用频率可精细调节的高稳定度频率综合器，为KIDs探测器芯片提供激励信号和为混频器模块提供本振信号。
如图3所示，所述KIDs探测器读出电路模块2包括设置在信号输入端的第一可调衰减器，设置在信号输出端的第二可调衰减器。所述第一可调衰减器输入端与定向耦合器1连接，其输出端通过第一隔直器与10dB第一低温衰减器的输入端连接，第一低温衰减器的输出端通过第二隔直器与20dB第二低温衰减器的输入端相连，第二低温衰减器输出端与安装在样品盒内的KIDs探测器芯片的输入端相连，KIDs探测器芯片的输出端与低温低噪声放大器的输入端连接，所述低温低噪声放大器的输出端与3dB第三低温衰减器的输入端连接，所述第三低温衰减器的输出端与常温低噪声放大器的输入端相连，常温低噪声放大器的输入端端通过第三隔直器与第二可调衰减器，所述第二可调衰减器的输出端与混频器模块3连接。
所述低温低噪声放大器，常温低噪声放大器均采用+40dB增益的单元模块放大器或级联放大器。所述第一、第二可调衰减器，第一、第三隔直器和常温低噪声放大器处于300K的常温环境中；所述第一、第二、第三低温衰减器，第二隔直器，低温低噪声放大器与KIDs探测器芯片设置在低温杜瓦装置内，低温环境温度约控制在4.2K。所述第二隔直器为双隔离隔直器，所述第一、第二可调衰减器的衰减范围为0～62dB。所述常温低噪声放大器的噪声系数不高于5dB，最好是不高于3dB；所述低温低噪声放大器的噪声温度为不高于20K(开尔文)。
KIDs探测器读出电路模块2通过隔直器可实现不同冷级之间的热隔离；通过低温(固定)衰减器降低杜瓦外常温热噪声对超导KIDs探测器核心芯片的影响；通过低温低噪声放大器和常温低噪声放大器提供信号功率放大；通过射频输入端和输出端的可调衰减器，便于将输入电平和输出电平调节到适当的电平。
如图4所示，所述混频器模块3包括一个双平衡混频器3-3，混频器模块3的本振输入端通过3dB第一衰减器3-2与双平衡混合器3-3的本振端口(LO)连接，混频器模块的射频输入端通过3dB第二衰减器3-4与双平衡混合器3-3的射频端口(RF)连接。所述本振输入端与第一衰减器3-2之间，射频输入端与第二衰减器3-4之间均设有一双隔离隔直器。
所述混频器模块3的核心器件仅需要单个双平衡混频器，与具有同等带宽相同工艺的正交混频器相比，本振端口(LO)激励电平降低至少3dB；本振和射频端口(RF)的输入部分都采用了同时隔绝中心导体和接地面直流信号的双隔离隔直器，可减少射频和本振端口通过接地面引入对中频端口(IF)输出的噪声干扰信号；而3dB和6dB衰减器的设置使为了保障本振、射频端口与其它模块的宽带匹配。
本实施例中，所述定向耦合器1采用耦合度为15～30dB的宽带弱耦合度定向耦合器。频综源信号进入定向耦合器1后被功分成两路，一路通过定向耦合器1直通端为混频器模块3提供本振激励，其能量几乎没有明显减弱(衰减量<1dBc)；而另一路则通过定向耦合器1耦合端为KIDs探测器读出电路模块2提供输入信号，其电平较频综源输出信号的原始电平明显减小(衰减量>15dBc)。与传统KIDs相位噪声测量电路采用的3dB功分器相比，采用本实施例所使用的弱耦合度定向耦合器方案，所需本振功率电平至少可以减小2dB。
混频器模块3中频输出的信号为准直流相位噪声信号，所需低通滤波器4的截止频率低于1MHz；直流放大器5用于将该准直流信号进行放大，但仍在高精度数据采集卡的有效量程内，对该直流放大器5的要求是具有较低的本底噪声和具有正负电源供电。这两个部件既可以选用合适的集成电路芯片自行搭建，也可以直接选用商业成品仪器。本实施例中，数据采集卡采用200kHz以上采集数据速率和高精度(16bit以上)高动态的数据采集板卡，来实现高信噪比的信号采集，提高相位噪声测量精度。
控制计算机的功能主要是实现对频率综合器(频综)和数据采集卡的控制，以及对KIDs探测器噪声性能测量的数据处理等。
在本发明方案中，混频器模块3本振输入端前串联了一个宽带可调移相器，通过改变本振信号和射频信号的相位差，可以分别实现对超导KIDs探测器相位测量系统的校准以及探测器相位噪声的测量。
其具体原理可简述如下：
设频综输出的单音信号，经过KIDs探测器读出电路模块进入混频器的射频端口时的时域表达式为V1sin(Θ1+ω0t+Φ(t))，其中V1是射频端口信号幅度，Θ1是射频端口初相，ω0是单音信号角频率，Φ(t)是KIDs探测器芯片的相位噪声；
设频综输出的单音信号，经过移相器进入混频器模块的本振端口时时域表达式为V2sin(Θ2+ω0t+Δθ)，其中V2是本振端口信号幅度，Θ2是本振端口初相，Δθ是移相器的相位。
假设混频器为平方律检波，则混频器中频端口(IF)输出的低频准直流信号表达式如下(A为变频损耗)：
Vn(t)＝(A(V1sin(Θ1+ω0t+Φ(t))+V2sin(Θ2+ω0t+Δθ))2)lowpass
＝A(V1 2/2+V2 2/2+V1V2sin((Θ1-Θ2-Δθ)+Φ(t))) (3)
由上式可以看出，该信号是由两部分组成，一部分是固定的直流偏压Voffset＝A(V1 2+V2 2)/2，另一部分则一个受到移相器相位值影响三角函数，变化的幅度值Vmag＝AV1V2。
所以，(3)式也可以改写为以下形式
Vn(t)＝Voffset+Vmagsin((Θ1-Θ2-Δθ)+Φ(t)) (4)
由于实际中的KIDs相位噪声是一类均值为0的随机性小信号，满足|Φ(t)|<<1。根据三角函数性质，与相位噪声相关的三角函数总存在以下近似关系：cos(Φ(t))≈cos(0)＝1，sin(Φ(t))≈Φ(t)(近似误差远远小于5％,或者0.5dB)。
据此，对混频器输出的准直流信号得到以下的几种典型情况
若(Θ1-Θ2-Δθ)＝π/2，则有最大值
Vmax＝Voffset+Vmagcos(Φ(t))＝Voffset+Vmag (4)
若(Θ1-Θ2-Δθ)＝3π/2，则有最小值
Vmin＝Voffset-Vmagcos(Φ(t))＝Voffset-Vmag (5)
若(Θ1-Θ2-Δθ)＝0，则有
Vn(t)＝Voffset+Vmagsin(Φ(t))＝Voffset+VmagΦ(t) (6)
根据(4)-(5)式可以对相位噪声测量系统进行校准；由(6)式可知，当(Θ1-Θ2-Δθ)＝0，可以从混频器的中频输出得到超导KIDs探测器的相位噪声。
基于上述电路系统的KIDs探测器相位噪声测量方法，包括以下步骤：
1)将KIDs探测器读出电路模块输入、输出端口的第一、第二可调衰减器的衰减量调至最大，以避免低噪声放大器的初始激励电平过大而饱和或者损毁，然后，开启上述的直流放大器、低温低噪声放大器、常温低噪声放大器的直流供电电源；
2)通过控制计算机设置频综源的功率电平，将其频率精确设置到KIDs探测器芯片的中心频率处，将KIDs探测器读出电路模块输入、输出端口的第一、第二可调衰减器的衰减量设置到合适的数值后，启动频综源；
3)控制数据采集卡进入工作状态，并将其采集的混频器模块中频端口输出的准直流电压信号，以曲线的形式实时显示在控制计算机的屏幕上；
4)调节所述可调移相器的相位，使其在0～360°内变化，获得屏幕上电压变化曲线的最大值Vmax和最小值Vmin，根据以下公式确定混频器模块的直流偏压Voffset和信号幅度Vmag：
Voffset＝(Vmax+Vmin)/2 (7)
Vmag＝(Vmax-Vmin)/2 (8)
5)调节可调移相器的相位，使得混频器模块中频端口输出的准直流电压等于所述直流偏压Voffset，在该状态下，将数据采集卡的设置成高速采集状态，以不低于200kHz的采样频率连续采集10s的数据，设数据采集卡在某一时刻获取的数据为Vn(t)，t为采样时间；
6)根据以下公式计算得到KIDs探测器芯片经过校准的相位噪声的时域数据：
Φ(t)＝(Vn(t)-Voffset)/Vmag (9)
7)通过计算机数据处理程序对所述相位噪声的时域数据进行功率谱估计，得到所述KIDs探测器芯片相位噪声的频域数据。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统，其特征在于，包括频综源、定向耦合器、KIDs探测器读出电路模块、混频器模块、低通滤波器、直流放大器、数据采集卡和控制计算机；
所述频综源的输出信号通过定向耦合器分为两路，所述定向耦合器的两路输出端分别与KIDs探测器读出电路模块的读出信号输入端、可调移相器的输入端连接，所述KIDs探测器读出电路模块的读出信号输出端与混频器模块的射频输入端连接，可调移相器的输出端与混频器模块的本振输入端连接，而混频器模块的中频输出端则与所述低通滤波器连接，低通滤波器的输出端通过直流放大器与数据采集卡连接，所述数据采集卡的信号输出端与所述控制计算机的信号输入端连接，控制计算机的信号输出端与频综源的控制信号输入端连接；
所述KIDs探测器读出电路模块包括设置在读出信号输入端的第一可调衰减器，设置在读出信号输出端的第二可调衰减器，所述第一可调衰减器的输出端通过第一隔直器与第一低温衰减器的输入端连接，第一低温衰减器的输出端通过第二隔直器与第二低温衰减器的输入端相连，第二低温衰减器输出端与安装在样品盒内的KIDs探测器芯片的输入端相连，KIDs探测器芯片的输出端与低温低噪声放大器的输入端连接，所述低温低噪声放大器的输出端与第三低温衰减器的输入端连接，所述第三低温衰减器的输出端与常温低噪声放大器的输入端相连，常温低噪声放大器的输入端端通过第三隔直器与第二可调衰减器连接；
所述第一、第二可调衰减器，第一、第三隔直器和常温低噪声放大器处于常温环境中，所述第一、第二、第三低温衰减器，第二隔直器，低温低噪声放大器与探测器芯片设置在低温杜瓦装置内，且所述第二隔直器为双隔离隔直器；
所述混频器模块包括一个双平衡混频器，混频器模块的本振输入端通过第一衰减器与双平衡混合器的本振端口连接，混频器模块的射频输入端通过第二衰减器与双平衡混合器的射频端口连接，所述本振输入端与第一衰减器之间，射频输入端与第二衰减器之间分别串接一个双隔离隔直器；
所述定向耦合器采用耦合度为15～30dB的宽带弱耦合度定向耦合器；
所述低通滤波器的截止频率低于1MHz。
2.根据权利要求1所述的一种鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统，其特征在于：
KIDs探测器读出电路模块中，所述第一、第二可调衰减器的可调范围值为0～62dB，所述常温低噪声放大器、低温低噪声放大器均为+40dB放大器，所述第一低温衰减器为10dB衰减器，第二低温衰减器为20dB衰减器，第三低温衰减器为3dB衰减器；
混频器模块中，所述第一衰减器为3dB衰减器，第二衰减器为6dB衰减器；
所述数据采集卡的数据采集速率可达到200kHz以上，精度在16bit以上。
3.根据权利要求1所述的一种鉴频式KIDs探测器相位噪声测量电路系统，其特征在于：
所述常温低噪声放大器的噪声系数不高于5dB，所述低温低噪声放大器的噪声温度不高于20K。
4.一种基于如权利要求1-至3中任一项所述电路系统的KIDs探测器相位噪声测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将KIDs探测器读出电路模块输入、输出端的第一、第二可调衰减器的衰减量调至最大，开启所述直流放大器、低温低噪声放大器、常温低噪声放大器的直流供电电源；
2)设置频综源的功率电平，将频综源的频率精确设置到KIDs探测器芯片工作像元的中心频率处，根据对所述KIDs芯片的先验知识设置第一可调衰减器的衰减量，使得进入KIDs芯片的读出信号处于最优电平；设置第二可调衰减器的衰减量，在保证常温低噪声放大器处于线性工作区的前提下，使KIDs探测器读出电路模块的链路增益最大，然后启动频综源；
3)使数据采集卡进入工作状态，并将其采集的混频器模块输出的准直流电压信号，以曲线的形式实时显示在控制计算机的屏幕上；
4)调节所述可调移相器的相位，使其在0～360°内变化，获得屏幕上电压变化曲线的最大值Vmax和最小值Vmin，根据以下公式确定混频器模块的直流偏压Voffset和信号幅度Vmag：
Voffset＝(Vmax+Vmin)/2 (7)
Vmag＝(Vmax-Vmin)/2 (8)
5)调节可调移相器的相位，使得混频器模块输出的准直流电压等于所述直流偏压Voffset，在该状态下，控制数据采集卡连续采集一段时间的数据，设数据采集卡在某一时刻获取的数据为Vn(t)，t为采样时间；
6)根据以下公式计算得到KIDs探测器芯片经过校准的相位噪声的时域数据：
Φ(t)＝(Vn(t)-Voffset)/Vmag (7)
7)通过计算机数据处理程序对所述相位噪声的时域数据进行功率谱估计，得到所述KIDs探测器芯片相位噪声的频域数据。
5.根据权利要求4所述的一种KIDs探测器相位噪声测量方法，其特征在于，步骤5)中，将数据采集卡的设置成高速采集状态，以不低于200kHz的采样频率采集数据。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112229814A (zh) * | 2019-07-15 | 2021-01-15 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 太赫兹光谱测量装置、测量方法及其用途 |
| CN112255470A (zh) * | 2020-09-30 | 2021-01-22 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法 |
| CN114095083A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-02-25 | 苏州大学 | 基于微波光子载波抑制的微波源相位噪声测量系统及方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103940510A (zh) * | 2014-04-02 | 2014-07-23 | 中国科学院紫金山天文台 | 双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置和探测方法 |
| CN104122457A (zh) * | 2014-07-15 | 2014-10-29 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种脉冲调制信号相位噪声测量装置及方法 |
| CN204231328U (zh) * | 2014-06-06 | 2015-03-25 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种星用频综源 |
| CN104459360A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-03-25 | 南京航空航天大学 | 基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试方法及装置 |
| CN106017669A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-10-12 | 中国科学院紫金山天文台 | 一种kid探测器阵列的多功能读出电路系统 |
| WO2017065344A1 (ko) * | 2015-10-12 | 2017-04-20 | 한국과학기술원 | 광섬유 지연 라인을 이용한 펨토초 레이저의 반복률 위상 잡음 측정 및 억제 방법 |
| CN206618859U (zh) * | 2017-04-01 | 2017-11-07 | 河南工程学院 | 一种利用gps信号触发地质雷达采集的装置 |
| CN107835055A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-03-23 | 北京大学 | 一种微波源相位噪声测量方法及系统 |
| CN107966620A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-04-27 | 中国电子科技集团公司第四十研究所 | 一种数字鉴频的相位噪声测量装置及方法 |
| CN108132392A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-06-08 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种毫米波数字化脉冲调制信号相位噪声测量装置和方法 |
-
2018
- 2018-09-29 CN CN201811148697.1A patent/CN109270375B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103940510A (zh) * | 2014-04-02 | 2014-07-23 | 中国科学院紫金山天文台 | 双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置和探测方法 |
| CN204231328U (zh) * | 2014-06-06 | 2015-03-25 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种星用频综源 |
| CN104122457A (zh) * | 2014-07-15 | 2014-10-29 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种脉冲调制信号相位噪声测量装置及方法 |
| CN104459360A (zh) * | 2014-12-18 | 2015-03-25 | 南京航空航天大学 | 基于微波光子混频技术的微波源相位噪声测试方法及装置 |
| WO2017065344A1 (ko) * | 2015-10-12 | 2017-04-20 | 한국과학기술원 | 광섬유 지연 라인을 이용한 펨토초 레이저의 반복률 위상 잡음 측정 및 억제 방법 |
| CN106017669A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-10-12 | 中国科学院紫金山天文台 | 一种kid探测器阵列的多功能读出电路系统 |
| CN206618859U (zh) * | 2017-04-01 | 2017-11-07 | 河南工程学院 | 一种利用gps信号触发地质雷达采集的装置 |
| CN107835055A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-03-23 | 北京大学 | 一种微波源相位噪声测量方法及系统 |
| CN107966620A (zh) * | 2017-11-21 | 2018-04-27 | 中国电子科技集团公司第四十研究所 | 一种数字鉴频的相位噪声测量装置及方法 |
| CN108132392A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-06-08 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种毫米波数字化脉冲调制信号相位噪声测量装置和方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| JING LI ET.AL: "An 8×8 CPW MKIDs Developed for Terahertz", 《IEEE XPLORE》 * |
| JUAN BUENO ET.AL: "Photon noise limited performance over an octave of bandwidth of Kinetic", 《IEEE XPLORE》 * |
| 石晴 等: "一种8×8像元Al膜MKIDs探测器的特性研究", 《微波学报》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112229814A (zh) * | 2019-07-15 | 2021-01-15 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 太赫兹光谱测量装置、测量方法及其用途 |
| CN112229814B (zh) * | 2019-07-15 | 2021-11-05 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 太赫兹光谱测量装置、测量方法及其用途 |
| CN112255470A (zh) * | 2020-09-30 | 2021-01-22 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法 |
| CN112255470B (zh) * | 2020-09-30 | 2023-09-15 | 中国电子科技集团公司第十六研究所 | 一种噪声源超噪比测试系统及其测试方法 |
| CN114095083A (zh) * | 2022-01-20 | 2022-02-25 | 苏州大学 | 基于微波光子载波抑制的微波源相位噪声测量系统及方法 |
| CN114095083B (zh) * | 2022-01-20 | 2022-04-05 | 苏州大学 | 基于微波光子载波抑制的微波源相位噪声测量系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109270375B (zh) | 2020-09-15 |
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